Организация памяти компьютера

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти, соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ.

В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистры общего назначения (РОН). Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Организация машины

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное распределение (построение) и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Со времени появления в 40-х гг. XX в. первых электронных цифровых вычислительных машин технология их производства была значительно усовершенствована. В последние годы благодаря развитию интегральной технологии существенно улучшились их характеристики, значительно снизилась стоимость. Однако несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, в основу построения подавляющего большинства современных компьютеров положены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Согласно фон Нейману, для того чтобы ЭВМ была универсальным и эффективным устройством обработки информации, она должна строиться в соответствии со следующими принципами:

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройст­во управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объеди­няемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 4.13. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ.

Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура - устройство ввода, дисплей и печать - устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выбор­ка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Рис. 4.13. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее уст­ройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необхо­димых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не закан­чивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоми­нающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считы­вание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специаль­ным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработ­ки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Структура современного персонального компьютера представ­лена на рис. 4.14. Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ по­зволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, назы­ваемой системной или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов — локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, ши­на адреса и шина синхронизации (управления).

Рис. 4.14. Структурная схема персонального компьютера

Устройства ввода-вывода (УВВ) разделены на собственно УВВ и управляющие ими контрол­леры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, ручные манипуляторы, мышь, трекбол, джойстик, трекпойн, джойстринг, диджитайзер, трекпад, сканер, световое перо, информационные перчатки, костюм, шлем, цифровая видеокамера, микрофон и т.д.

К устройствам вывода информации относятся дисплей, принтер, плоттер, акустические колонки и др.

Новым в структуре современного компьютера и принципе его действия являются сигналы и понятие прерываний (рис. 4.14). Прерывания появились в связи с переходом от математических вычис­лений, которые не зависят от внешних условий, к обработке ин­формации в реальном масштабе времени.

Компьютер должен реагировать на изменение внешних усло­вий, иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм обработки. Допустим, если в микропроцессор извне по­ступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается, в за­ранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес остановки в программе, и микропроцессор вы­полняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения вос­станавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В современных компьютерах возможна параллельная работа не­скольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения од­ной задачи или параллельного выполнения многих задач достигает­ся увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные про­цессоры.

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процессора.

Наиболее существенными, классификационными различиями между МП чаще всего выступают:

- назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);

- количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битовые, 16-битовые, 32-битовые, 64-битовые);

- технология изготовления (0,5 мкм; 0,35 мкм; 0,25 мкм; 0,18 мкм; 0,13 мкм; 0,07 мкм); МКМ – это микронная технология (каждый транзистор размещается на кристалле внутри квадрата с указанным размером стороны).

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) — про­граммно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации по алгоритму, задаваемому программой, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Конструктивно представ­ляет собой небольшую микросхему внутри системного блока, уста­новленную на материнской плате.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называемого семейством (Intel, AMD, Cyrix, Motorola). С целью преемствен­ности программного обеспечения последующие модели и модифи­кации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Основными характеристиками процессо­ра являются:

• быстродействие — количество операций, производимых в 1 се­кунду, измеряется в бит/с. Каждая последующая модель имеет бо­лее высокую производительность по сравнению с предыдущей. Маркировка современных процессоров имеет расширение ММХ (MultiMedia eXtention — расширение мультимедиа);

• тактовая частота — количество тактов, производимых про­цессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характери­стика определяет скорость выполнения операций и непосредствен­но влияет на производительность процессора;

• разрядность — количество двоичных разрядов, которые про­цессор обрабатывает за один такт. Так, указывая разрядность 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т. е. за один такт он обрабатывает 64 бита.

Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel представлена на рисунке 4.15.

Рис 4.15. Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel

Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit, EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (BUS Interface Unit, BIU).

Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, BP, SI, DI) имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения: – АХ, ВХ, СХ и DX.

Вторую группу составляют адресные регистры: SP, BP, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров увеличено).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специаль­ных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управ­ления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временно­го хранения операндов исполняемой команды и результатов вычис­лений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-выво­да для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программиро­ванию на языке машинных команд, это наиболее полное использо­вание РОНдля получения максимального быстродействия при вы­полнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBM PC. Процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор Intel Core, вы­пуск которого начат в начале 2006 г. К основным особенностям ар­хитектуры Intel Core можно отнести следующие:

— имеется специальный внутренний КЭШ размером 2 Мбайта;

— добавлена арбитражная шина, которая уменьшает нагрузку си­стемной шины;

— внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух ядрах — параллельно работающих конвейерах команд (суперска­лярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в 12 разных фазах обработки (чтение, дешифрация, за­грузка операндов, исполнение и т.д.). Конвейеры заканчивают­ся двумя АЛУ: АЛУ, работающим на удвоенной частоте процес­сора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;

— введено управление питанием ядра, которое включает в себя блок температурного контроля, способный управлять отдельно пита­нием каждого ядра.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базово­го варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD {Advanced Micro Devices) выпускает процессоры, со­вместимые по системе команд с Intel Pentium 4 — Athlon (K7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвей­ерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не ус­тупает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20—30 % дешевле процессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной шины, несовместимой с шиной процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процес­сора другим требует и замены системной платы, на которой располо­жен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных.

Комплекс технических устройств, реализующих функцию памяти, называется запоминающем устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации. ЗУ делятся на основную память, сверхоперативную (РОН) и внешние запоминающие устройства.

Основная память включает два типа устройств:

а) оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или RAM-Random Access Memory и б) постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или Rom-Read Onty Memory.

Дата добавления: 2014-11-20